Candidata: Iryna Boika

Laurea Magistrale in Biotecnologie ambientali ed industriali

1

Coltivazione di microalghe per la produzione di lipidi e carboidrati: utilizzo di reflui oleari

Relatore: Prof.ssa Francesca Pagnanelli

Facoltà di scienze fisiche, matematiche e naturali

2

Microrganismi fotosintetici

Microalghe

35.000 specie descritte (elevata biodiversità)

Specie eucariotiche e procariotiche

Unicellulari (possono tuttavia crescere in colonie)

Presenti sia in acqua dolce che in acqua salata

Dimensioni generalmente tra 2 e 40 µm

Pagina 3

Metabolismo algale

Glucosio

Glicerolo

Acetato

Metabolismo autotrofico

Metabolismo eterotrofico

Metabolismo mixotrofico

nitrati

fosfati

4

Metabolismo

Accumulo di lipidi in Scenedesmus sp. durante diversi giorni di N-starvation

5

Produzione di biocarburanti e fine chemical da microalghe

Lipidi

Proteine

Carboidrati

Biodiesel

Biometano

Integratori per mangimi

Polimeri

Integratori nutraceutici

Bioetanolo

biomassa

6

Scopo della tesiOttimizzazione delle tecniche di coltivazione delle microalghe al fine

di superare le problematiche che ne limitano la competitività

Riduzione costi di impianto

l’utilizzo di acqua di rete e di acque di vegetazione di frantoi oleari (AVO) nella formulazione del mezzo colturale per la crescita di microalghe.

Analisi dell’effetto di diversi fattori su crescita algale, composizione della biomassa e riduzione del carico inquinante del refluo

Pretrattamento di AVO; Concentrazione azoto e

micronutrienti;Strategie di

alimentazione dell’AVO

codepurazione reflui

Sviluppo processi integrati

Ottimizzazione parametri operativi

Aumento produzione biomassa nelle condizioni mixotrofiche/eterotrofiche

7

Unico ceppo, tra quelli testati, in grado di crescere nelle condizioni di impianto

Progetto Alghe

Energetiche

Selezione del ceppoCeppo di Scenedesmus sp. selezionato nelle fasi di avviamento dell’impianto pilota nel

progetto Alghe Energetiche

8

Sviluppo processo integrato

   

Parametro Valore ± Δ

Fenoli (g∙l-1) 4.88 0.05

Zuccheri riducenti (g∙l-1) 8.6 0.3

Solidi sospesi (ml∙l-1) 240 20

Solidi totali (g∙l-1) 51.1 0.2

Residuo secco 105 ° (%) 5.11 0.02

H2O (%) 94.89 0.02

COD (g∙l-1) 49 5

pH 5.0 0.2

PO43- (mg∙l-1) 1347 1

Densità (g∙ml-1) 1.02 0.01

Ferro (mg∙l-1) 10 1

C (%) 40 5

H (%) 5 1

N (%) 1.0 0.8

S (%) 0.9 0.2

Composizione AVOAcqua di vegetazione dei frantoi oleari (AVO) scelta

come refluo

o Produzione stimata in Italia: 2 milioni di t/anno

o Difficoltà di smaltimento per l’elevato carico organico e l’elevata presenza di fenoli (azione antimicrobica e fitotossica, biodegradabilità limitata)

o Scenedesmus sp. è in grado di degradare i fenoli

9

RiduzioneZuccheri 55%

Fenoli 90%Lipidi: 33 ±3 %Carboidrati: 21 ±2%

Conc. di nitrati 1100 mg/L

Valutazione effetto del pretrattamento di AVO con i carboni attivi

10

Aumento significativo di carboidrati dal 20±2% al 36±1%

1,6 g/L

1,3 g/L

Valutazione effetto della concentrazione dei nitrati

11

MS = mezzo standard BG 11AR = mezzo da acqua di rete

0 2 4 6 8 10 120

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8MS+AVOMSAR+AVOAR

tempo (gg)

A 6

90 n

m

0 1 4 5 6 7 8 11

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

AR

AVO

INTERAZIONE

tempo (gg)

Eff

etti

(A 6

90nm

)

lipidi carboidrati0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

MS

AR

MS + AVO

AR+ AVO

% (g

/g)

fenoli zuccheri COD0

10

20

30

40

50

60

70

MS + AVO

AR + AVO

per

cen

tua

le d

i r

imo

zio

ne

(%)

Aumento dei carboidrati

dal 34 % al 43 % nelle alghe coltivate

in MS

dal 21% al 44% nelle alghe

coltivate in AR

Valutazione effetto aggiunta AVO (9%) e uso del mezzo preparato da acqua di rete

12

Aggiunta AVO

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4 controllo

graduale

finale

iniziale

tempo (gg)

peso

sec

co g

/L

lipidi carboidrati0

5

10

15

20

25

30

35

40

controllo

iniziale

graduale

finale

% (g

/g)

0 1 4 5 6 7 8 11 12 130

10

20

30

40

50

60

70

80 graduale iniziale finale

tempo (gg)

perc

entu

ale

di r

imoz

ione

zuc

cher

i (%

)

Rimozione

Zuccheri in AVO:

“Iniziale” 74±4 %

“graduale” 62,7±0,3 %

“finale” 13±3%

Aumento di carboidrati nella biomassa da 21 a 32 %

Valutazione dell’effetto di diverse strategie di alimentazione con AVO

13

Lipidi: 23 %Carboidrati: 23%

Rimozione a fine test

Fenoli: 64± 7%

COD: 67±9 %

zuccheri: 71±5 %

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0+EDTA+micronutrienticontrollo+EDTA e micronutr.crescita autotrofica

tempo (gg)

con

cen

traz

ion

e ce

llula

re (

g/L

)

+ 9% v/v di AVO

Lipidi: 25 %Carboidrati: 36 %

Rimozione a 17 gg

zuccheri: 61±4 %

Valutazione dell’effetto di EDTA e micronutrienti

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

finale

controllo

graduale

conc. di NO3-

tempo (gg)

g/L

+ 9% v/vAVO

Valutazione effetto di diverse strategie di alimentazione di AVO sulla produttività di lipidi e carboidrati

15

Scelta strategia migliore “Graduale”

Rimozione fine test“graduale”

Fenoli – 70±1%Carboidrati - 60±4%

Rimozione 14 gg“graduale”

Fenoli - 24±2%Carboidrati - 60±4%

Max produttivitàBiomassa 57,4±0,3 mg/L/d

lipidi 30±2 mg/L/d Carboidrati 37±2 mg/L/d

Riduzione produttivitàBiomassa 42±2 mg/L/d

lipidi 7,7±0,2 mg/L/d carboidrati 12,06±0,08 mg/L/d

16

L’utilizzo di acqua di rete e AVO non trattata nella formulazione del mezzo colturale per la

crescita di Scenedesmus sp.; riduzione della concentrazione di nitrati a 250 mg/L.

composti tossici presenti in AVO determinano una riduzione della produttività della biomassa a 20±5 mg/L/d rispetto a 50,8±0,1 mg/L/d senza aggiunta di AVO;

tuttavia il contenuto di carboidrati nella biomassa raddoppia 44±4% rispetto al 24,4±0,8% senza aggiunta di AVO.

Le Strategie “graduale” e “finale” permetono di ridurre il carico tossico di AVO per unità di cellula mantenendo il contenuto di lipidi/carboidrati elevato

La produttività di biomassa a 13 gg di coltivazione63,7±0,7 mg/L/d per il trattamento “graduale”

77,8±0,7 mg/L/d per il trattamento “finale” 31,9±12 mg/L/d per il trattamento “iniziale”

il contenuto lipidico (30±7%) e dei carboidrati (32±3%).

La strategia “graduale” ha dato i risultati più promettenti dopo 14 giorni di coltivazione:produttività di biomassa (57,4±0,3 mg/L/d),

di lipidi (30±2 mg/L/d) e di carboidrati (37±2 mg/L/d)

una riduzione significativa del carico organico presente in AVO (60±4% della concentrazione totale di zuccheri e 24±2% di quella di fenoli).

Riduzione ulteriore della quantità di composti polifenolici richiede i tempi di coltivazione più lunghi e comporta una diminuzione rilevante della produttività di carboidrati (12,06±0,08 mg/L/d) e lipidi (7,7±0,2 mg/L/d).

Conclusioni

Razionalizzazione dei costi dell’impiantoper coltivazione di Scenedesmus sp.

Alta produttività di biomassa 57,4±0,3 mg/L/d,

di lipidi 30±2 mg/L/d di carboidrati 30±2 mg/L/d codepurazione del refluo riduzione zuccheri 60±4%

riduzione fenoli 24±2%

Dopo 14

giorni

Strategia “graduale”

17

Grazie per l’attenzione